磁盤陣列RAID可靠性分析

介紹了磁盤陣列的基本概念和常用的磁盤陣列種類，分析了RAID0、RAID3和RAID10三種磁盤陣列的可靠性值，同時與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明，磁盤陣列的可靠性值基于標(biāo)準(zhǔn)模型在一定程度上可以進行量化，能進行科學(xué)的計算, 得出RAID10比相應(yīng)其他的RAID的容量更大，可靠性更佳。該文的可靠性分析對磁盤陣列的進一步研究和生產(chǎn)能起到現(xiàn)實的指導(dǎo)作用。
關(guān) 鍵 詞 磁盤陣列; 可靠性; 鏡像; 磁盤陣列控制器

廉價冗余磁盤陣列(Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID)是將一堆磁盤通過相關(guān)的技術(shù)連接起來，構(gòu)成邏輯上的空間。RAID可以使諸多磁盤驅(qū)動器同時傳輸數(shù)據(jù)，在邏輯上它們又是一個磁盤驅(qū)動器，用RAID可以使單個的磁盤驅(qū)動器提高數(shù)倍的速率。因此，RAID技術(shù)正在變成支持文件共享、郵件交換和Web服務(wù)器等關(guān)鍵性服務(wù)的計算機系統(tǒng)所必備的一項標(biāo)準(zhǔn)功能[1]。磁盤陣列根據(jù)RAID控制器采用的工作模式和算法不同有不同的級別，因而具有不同的可靠性和性能。目前，常用的磁盤陣列有RAID 0、RAID1、RAID 0+1、RAID 3、RAID 5、RAID 6和RAID 10等[2-5]。本文將分析最具代表性的RAID 0，RAID 3和RAID 10三種磁盤陣列的可靠度。

1 磁盤陣列可靠度模型和可靠性值
1.1 磁盤陣列可靠度模型
一個磁盤陣列可以有包含多個不同的RAID級和磁盤容量，為簡化模型，本文僅討論基于8個相同RAID級硬盤驅(qū)動器組成的磁盤陣列，所有計算均假設(shè)在百分之百運轉(zhuǎn)情況下3年內(nèi)可靠性可以達到0.90的40 GB硬盤驅(qū)動器[2]。
1.2 RAID 0的可靠性值
磁盤陣列RAID 0 的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中的磁盤陣列RAID 0由8個磁盤組成，因此磁盤陣列的可靠性值就是每一個單獨的硬盤驅(qū)動器的可靠性的乘積。

RAID 3的可靠性值
RAID 3屬于并行訪問磁盤陣列，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在RAID 3中，使用了專門的磁盤存放所有的校驗值，并把數(shù)據(jù)分散到剩余的磁盤上，因而RAID 3需要至少3塊盤陣來運行。RAID 3是使用專門校驗盤的并行訪問，其性能優(yōu)勢依賴于緩存技術(shù)和更高的磁盤轉(zhuǎn)速。整個RAID 3系統(tǒng)只需要一個校驗盤，就可以使硬盤的利用率提高。
RAID 3可以承受在由n個硬盤驅(qū)動器組成的磁盤陣列中的一個硬盤發(fā)生故障，例如：如果奇偶校驗硬盤發(fā)生故障，其余用作存儲數(shù)據(jù)用的硬盤不會被影響，但是冗余信息將丟失，如果其中一個數(shù)據(jù)硬盤發(fā)生故障，RAID控制器使用剩余的數(shù)據(jù)硬盤，并且奇偶校驗硬盤重新計算丟失的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性能將有稍微的降低直到發(fā)生故障的硬盤驅(qū)動器被恢復(fù)，但是不會有數(shù)據(jù)丟失。如果在發(fā)生故障的硬盤恢復(fù)以前另一個硬盤發(fā)生故障，那么RAID組件內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)將會丟失。

RAID 10的可靠性值
RAID 10的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中RAID 10是將RAID 1的鏡像功能和RAID 0的數(shù)據(jù)分割功能混合了起來，因此RAID 10需要至少4塊硬盤驅(qū)動器(2塊互為鏡像盤，2塊作為數(shù)據(jù)盤)來運行。其中數(shù)據(jù)是在被鏡像的驅(qū)動器組之間分割，當(dāng)一個硬盤驅(qū)動器在重建的時候，RAID 10系統(tǒng)將比奇偶校驗RAID系統(tǒng)的性能更好，這是因為丟失的數(shù)據(jù)不是從奇偶校驗信息來重新獲得，而是從其余的驅(qū)動器上拷貝得到的。
在RAID 10磁盤陣列中，在鏡像組里有一個硬盤驅(qū)動器發(fā)生故障不會導(dǎo)致任何數(shù)據(jù)丟失，只要每一個鏡像組里有一個活動的驅(qū)動器，所有的數(shù)據(jù)就仍然是可用的，如果一個鏡像組里的2個硬盤驅(qū)動器都發(fā)生了故障，那么所有的數(shù)據(jù)都會丟失。

磁盤陣列可靠度對比
將設(shè)計的模型在實驗室按照標(biāo)準(zhǔn)模型進行測試，結(jié)論和分析基本一致，由8塊盤組成的RAID組可靠性對比數(shù)據(jù)如表1所示。